唐晓倩，白应飞，刘广亮，刘广全

(1中国水利水电科学研究院，北京，100038；2国家林业局盐碱地研究中心，北京，100091；3延安市退耕还林工程管理办公室，陕西 延安，716000; 4 吴起县林业局，陕西吴起 717600；5国际泥沙研究培训中心，北京，100048)

土壤盐渍化是一个全球性的资源与生态问题。据统计，全球盐碱地面积超过8×106km2[1]，由于受全球气候变暖引起的冰川融化海平面上升，森林、草地和湿地等面积减小，干旱等自然灾害频繁发生以及工业高速发展和不合理灌溉等因素的影响，全球盐渍化土壤仍以每年(1.0×106)～(1.5×106) km2的速度增加[2]。我国各类盐渍土面积约为1×106km2[3]，尤其是西北干旱和半干旱等生态脆弱地区，土壤盐渍化现象尤为严重[4]。盐渍化对植物的伤害作用，主要包括渗透胁迫、离子毒害及营养失衡等，最终表现为抑制植物生长，甚至导致死亡[5]。盐胁迫下，植物依靠自身积累无机盐离子进行渗透调节，但高浓度的盐胁迫(高浓度Na+)会抑制植物对K+、Ca+、Mg2+等矿质元素的吸收[6-7]，一方面抑制了以K+为辅助因子的多种酶的活性;另一方面影响了细胞膜的稳定性和地上部光合作用，造成植物体内矿质元素比例失调，影响植物正常的生长和发育[8]。因此，盐胁迫下维持和重建植物细胞中的离子平衡，对植物正常的生理活动具有重要意义。

侧柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)为柏科侧柏属常绿乔木，中国特产，除青海、新疆外，全国其余省(自治区)均有分布，其适应性强，耐寒、耐旱、抗盐碱、耐污染，是我国应用最为普遍的观赏和造林树种[9]。目前针对侧柏耐盐生理的研究主要集中在种子萌发、幼苗生长、光合生理、渗透调节及耐盐能力评价等方面[10-13]，而对其矿质离子研究,仅从参试的不同树种离子积累差异的角度分析其盐适应性强弱[12-13]，而未见从离子在侧柏幼苗体内不同器官间运输和分配角度对其盐适应机制进行研究的报道。本试验以当年生侧柏幼苗为材料，通过温室土培模拟NaCl不同梯度胁迫试验，研究NaCl胁迫对幼苗生物量积累及根、茎、叶中K+、Na+、Ca+、Mg2+的吸收、运输与分配的影响，以期从离子积累与分配的角度进一步探讨侧柏的耐盐生理机制，为侧柏在困难立地造林提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验设计

供试侧柏种子采自河南省安阳市林州县。试验于2016年4-8月在中国林业科学研究院科研温室内进行。侧柏种子用温水浸泡24 h，与湿沙混合催芽，2016年4月中旬，将萌动露白的种子播种到营养钵中，每钵播种2粒，于温室内育苗。待幼苗生长2个月后，选取长势一致的幼苗移栽至30 cm×30 cm(直径×高度)的塑料盆中，盆中加入等量基质，基质成分为蛭石和珍珠岩，按照体积比3∶1混合，装盆前栽培基质和塑料盆用多菌灵进行全面消毒处理。盐胁迫前，侧柏幼苗缓苗1个月左右，以适应土培条件，达到正常生长。

试验采用单因素完全随机设计，设置0 (CK)，100和200 mmol/L NaCl 3个盐胁迫水平，每个处理3次重复。NaCl处理按每天50 mmol/L浓度增至目标浓度，各处理在同一天到达预定浓度。NaCl胁迫处理21 d后进行各项指标的测定。

1.2 测算指标及其方法

1.2.1 生物量 小心将植株从培养基质中取出，先用自来水冲洗净植株表面的杂质，然后用去离子水冲洗5遍，吸干水分，分别将根、茎、叶装入信封中编号放入烘箱，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒质量(DW)，自然冷却后分别测定其生物量，并计算冠生物量、全株生物量、根冠比以及相对生物量。

冠生物量=茎生物量+叶生物量；

全株生物量=根生物量+冠生物量；

根冠比=根生物量/冠生物量；

相对生物量=某处理的平均总生物量/CK的平均总生物量×100%。

1.2.2 矿质离子含量 分别称取各处理侧柏幼苗根、茎、叶研磨粉碎后的样品约0.1 g，用V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶ 1于100 ℃左右电热板上加热消解，最后用去离子水定容至10 mL，参考刘正祥等[4]的方法采用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量。

1.2.3 离子选择性运输能力SX,Na为不同器官对离子的选择性运输系数，其计算公式为：SX,Na=库器官[X/Na+]/源器官[X/Na+]，其中X代表K+、Ca2+和Mg2+中任意1种离子的含量。SX,Na值越大，表示源器官控制Na+、促进X向库器官运输的能力越强，即库器官选择性运输能力越强[14]。

1.3 数据处理与分析

利用Excel 2007 软件进行数据整理和做图，采用SPSS 16.0统计软件对数据进行方差分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 NaCl胁迫对侧柏幼苗生物量积累的影响

表1显示，盐胁迫可促进侧柏幼苗根生物量的积累，100和200 mmol/L NaCl胁迫幼苗根生物量较对照分别提高24.62%和0.76%。随着盐胁迫浓度的增加，侧柏幼苗的茎、叶、冠及全株生物量总体显著降低，而根冠比显著增大。经100和200 mmol/L NaCl胁迫后，幼苗植株的相对生物量分别为CK的98.61%和68.53%。

表1 不同浓度NaCl胁迫对侧柏幼苗生物量积累和根冠比的影响Table 1 Effect of different NaCl concentrations on biomass accumulation and root/shoot ratio of Platycladus orientalis seedlings

注：表中数据为“平均值±标准差”,同列数据后标不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)。下表同。
Note:Data in the table are ‘mean±standard error’,different small letters in each column indicate significant difference atP<0.05 level.The same below.

2.2 NaCl胁迫对侧柏幼苗根、茎、叶中离子含量的影响

2.2.1 Na+和K+含量 由图1可以看出，NaCl胁迫下，侧柏幼苗各器官中Na+含量急剧增加，抑制了对K+的吸收，且同一器官不同处理间Na+含量差异达到了显著水平。

不同小写字母代表不同NaCl处理间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示不同器官间差异显著(P<0.05)，下图同Different small letters represent significant difference at P<0.05 among treatments,while different capital letters represent significant difference at P<0.05 among organs.The same below.图1 不同浓度NaCl胁迫对侧柏幼苗各器官中Na+和K+含量的影响Fig.1 Effects of different NaCl concentrations on contents of K+ and Na+ in different organs of Platycladus orientalis seedlings

与CK相比，100 mmol/L NaCl胁迫植株各器官Na+含量的顺序为根>茎>叶，茎和叶中Na+含量分别为根中的54.0%和29.4%；200 mmol/L NaCl胁迫植株Na+含量则为根>叶>茎，叶和茎中Na+含量分别为根中的74.9%和74.5%。随NaCl浓度的升高，侧柏幼苗根、茎、叶中K+含量呈显著下降的趋势，且根中K+含量下降的幅度最大，叶中K+含量变化较小。0(CK)、100和200 mmol/L NaCl胁迫下植株K+含量在不同器官间具有相同的变化规律，即叶>茎>根，且各器官间的差异均达到显著水平。

2.2.2 Ca2+和Mg2+含量 由图2可见，侧柏幼苗根中Ca2+含量随NaCl浓度的增加显著增加，叶中Ca2+含量随NaCl浓度的增加先上升后下降，而茎中Ca+含量则呈先下降后升高的趋势。其中100 mmol/L NaCl胁迫处理下，根和叶中Ca2+含量分别比CK增加了2.31%和2.46%，而茎中Ca2+含量较CK下降了8.09%。但无论是CK还是2个NaCl胁迫处理幼苗，各器官中Ca2+含量顺序相同，即茎中Ca2+含量最高，其次是叶，根中最低，且Ca2+含量在各器官间的差异达到显著水平。

CK及100和200 mmol/L NaCl胁迫处理的侧柏幼苗中，Mg2+含量最高的器官均是叶，其次是根，茎中最低，且在同一处理不同器官间Mg2+含量具有显著差异。随着NaCl胁迫浓度的升高，叶片中Mg2+无显著变化，根中Mg2+含量逐渐升高，茎中Mg2+含量先下降后上升。

图2 不同浓度NaCl胁迫对侧柏幼苗各器官中Ca2+和Mg2+含量的影响Fig.2 Effects of different NaCl concentrations on contents of Ca2+ and Mg2+ in different organs of Platycladus orientalis seedlings

2.3 NaCl胁迫对侧柏幼苗各器官离子含量比值的影响

由图3～5可以看出，盐胁迫下侧柏幼苗根、茎、叶中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+均大幅低于CK，且随着NaCl浓度的增加均呈现下降的趋势。

图3 不同浓度NaCl胁迫对侧柏幼苗各器官K+/Na+的影响Fig.3 Effects of different NaCl concentrations on K+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings图4 不同浓度NaCl胁迫对侧柏幼苗各器官Ca2+/Na+的影响Fig.4 Effects of different NaCl concentrations on Ca2+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings

图5 不同浓度NaCl胁迫对侧柏幼苗各器官Mg2+/Na+的影响Fig.5 Effects of different NaCl concentrations on Mg2+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings

100 mmol/L NaCl胁迫下，侧伯根、茎、叶中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+较CK均下降了65%以上；当NaCl浓度继续增加到200 mmol/L时，根、茎、叶中的离子含量比值分别比CK相应器官下降84.13%，92.38%和93.41%(K+/Na+)，78.41%，91.90%和92.82%(Ca2+/Na+)，77.80%，91.84%和93.05%(Mg2+/Na+)。在同一NaCl浓度处理下，侧柏幼苗叶片和茎中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+均高于根中。

2.4 NaCl胁迫对侧柏幼苗离子选择性运输的影响

由表2可以看出，随着NaCl胁迫浓度的增大，侧柏幼苗由根部向茎部的离子运输能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na总体上显著降低，且对K+的选择性运输大于Ca2+和Mg2+。这说明侧柏根系选择性运输Na+，而抑制K+、Ca2+和Mg2+进入茎中，且对Ca2+和Mg2+的抑制作用大于K+。

表2 NaCl胁迫下侧柏幼苗地上器官对K+、Ca2+和Mg2+的选择性运输Table 2 Selective transportation of K2+,Ca+and Mg2+ in organs of Platycladus orientalis seedlings under NaCl stress

由表2还可以看出，叶片对营养元素的选择性吸收能力与茎部不同，100 mmol/L NaCl 胁迫下，侧柏幼苗由茎部向叶片的离子运输能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na与CK相比呈显著上升的趋势；200 mmol/L NaCl胁迫下，由茎部向叶片的运输能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na较CK下降，但差异均不显著。总体而言，由茎部到叶片的离子运输能力SMg,Na高于SK,Na和SCa,Na。

3 讨论与结论

3.1 NaCl胁迫对侧柏幼苗生长的影响

盐胁迫对植物造成的危害有渗透胁迫、离子毒害和营养元素亏缺[15]，最终体现为生长受到抑制、生物量积累下降、根冠比增加等[1,16]。然而对于盐生植物或某些耐盐性较强的甜土植物而言，适度的盐胁迫不仅不会抑制其生长，反而会促进其生长和生物量的积累[17]，如弗吉尼亚栎[17]、木麻黄[18]等。本研究发现，NaCl胁迫显著提高了侧柏幼苗根生物量并改变了生物量分配的格局，具体表现为根生物量、根冠比随着NaCl浓度的升高显著增加，同时侧柏幼苗植株的相对生物量随NaCl浓度的升高显著下降。这表明NaCl胁迫促进了侧柏幼苗根系的生长和发育，根系通过扩大生长量以平衡盐胁迫对根系吸收功能的损伤，这对于维持植株地上部的正常生长发育具有重要意义[17]。

3.2 NaCl胁迫对侧柏幼苗离子平衡的影响

离子区隔化是植物耐盐性的重要特性之一，也是植物维持细胞内离子平衡的重要机制之一[19-20]。不同植物根据自身的结构特点表现出不同的离子区隔化方式，如牛叠肚[21]将Na+优先积累在茎中，沙枣[4]、鹅耳枥[22]等将Na+优先积累在根中，唐古特白刺[23]等则将Na+优先积累在叶片中。非盐生植物的耐盐性主要取决于植株根系对Na+的限制性吸收及维持叶片中较低的Na+含量。本研究结果显示，随着NaCl胁迫浓度的升高，侧柏幼苗植株各器官Na+含量急剧增加，且在不同浓度NaCl胁迫下，根中Na+含量始终高于茎和叶。这说明盐胁迫下，细胞幼苗优先将Na+积累在根系中，这可以减轻Na+对代谢旺盛部位的干扰，同时可以利用积累在根部的Na+进行渗透调节，降低水势，保持植物的吸水能力，减轻生理干旱[24]。这可能是侧柏适应盐胁迫的一种机制。

高等植物通过调节矿质离子的种类和数量来维持细胞质中微环境的相对稳定，通过保持较高的K+/Na+及矿质离子平衡的能力来适应盐渍环境[25]。如沙枣[4]、西瓜[19]等植物在盐胁迫下，植物根系吸收大量的Na+，抑制了植物对K+、Ca2+、Mg2+的吸收和运输。植物体内矿质元素的含量和分布情况对其耐盐能力有很大影响。本研究中，NaCl胁迫下侧柏幼苗根、茎、叶中Na+及根中Ca2+和Mg2+含量增加，根、茎、叶中K+、K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+及茎、叶中Ca2+、Mg2+含量降低，这表明NaCl胁迫下，大量Na+进入侧柏幼苗体内，抑制了侧柏幼苗对其他矿质离子的吸收和运输，导致侧柏幼苗植株体内离子失衡。由于离子区隔化作用，侧伯茎和叶中维持了相对较高水平的K+、Ca2+、Mg2+，且茎和叶中K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+显著高于根系。随着NaCl胁迫浓度的升高，根系中Ca2+、Mg2+含量增加及根向茎和茎向叶中SCa,Na、SMg,Na的降低，说明侧柏幼苗在NaCl胁迫下Ca2+向地上部的运输能力降低，而根系中Ca2+含量增加可以激活Ca2+依赖的蛋白激酶(CDPK)、钙结合蛋白等，以调节根细胞中矿质离子的平衡来适应盐胁迫[26]。同时，大量研究表明，外施Ca2+可减少细胞内净Na+流入和促进细胞中K+和Na+稳态的维持，从而提高植株的耐盐性[27]。Ca2+通过活化SOS信号通路，增强SOS3-SOS2激酶复合体对SOS1的调控，提高植物对Na+的外排，以调节植株体内的K+和Na+稳态，从而促进植株体内新的离子平衡的建立[15]。综合本研究发现，NaCl胁迫下侧柏幼苗叶片中的K+、Ca2+、Mg2+含量始终高于根或茎，这对于维持地上部的光合作用和细胞膜的稳定性具有重要意义。

3.3 侧柏幼苗对NaCl胁迫的适应机制

综合本研究结果认为，侧柏幼苗对NaCl胁迫具有一定的耐受性，NaCl胁迫下侧柏幼苗一是通过提高根系生物量来补偿根系吸收功能的降低，二是将大量Na+限制、聚积在根系中，以维持地上部相对较高的K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+值，同时提高营养元素K+、Ca2+、Mg2+向地上部的选择性吸收和运输能力，以提高渗透调节能力，降低Na+在地上部积累造成的离子毒害作用并维持地上部离子的平衡，维持植株正常的生理活动，从而适应盐胁迫的生存环境。